Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava Hornicko-geologická fakulta Institut čistých technologií těžby a užití energetických surovin SANAČNÍ A VÝPLŇOVÉ SMĚSI PŘIPRAVENÉ PRO KOMPLEXNÍ ŘEŠENÍ PROBLEMATIKY METANU VE VAZBĚ NA STARÁ DŮLNÍ DÍLA Ing. Jiří Mališ, Ph.D. Ing. Kristýna Černá, Ph.D.
Obsah 1. Úvod do problematiky 2. Popis a charakteristika vstupních materiálů, základní parametry 3. Laboratorní testování, analýzy 4. Návrh a testování směsí 5. Výsledky, výběr vhodných vstupních materiálů 6. Závěr 2
Úvod do problematiky Stará důlní díla = potenciálně riziková, únik metanu, vliv na životní prostředí Likvidace rizik = technicky a ekonomicky náročný úkol, zakládání volných prostor s ohledem na vysokou ochranu životního prostředí Výzkum zaměřen na ověření funkce směsí v reálných podmínkách výroby a na komplexní výzkum, sledování a studium interakce rekultivačně sanačních a výplňových směsí na bázi vedlejších produktů a eliminaci úniku metanu Charakteristika výzkumu směsí = stanovení kritérií pro výběr vedlejších produktů vhodných pro rekultivačně sanační a výplňové směsi Tj. vývoj metodiky, laboratorní testování, navržení receptur, odběry vzorků, testování použitých směsí in- situ apod. 3
Popis a charakteristika vstupních materiálů, základní parametry Slévárenské písky Tvořeny křemennými písky s obsahem jílového pojiva Materiál do formovacích směsí licích forem při odlévání kovů Zrnitost mezi 0,1 až 0,5 mm Část požitých písků zpět do výrobního procesu zbytek je nepoužitelný a je vyvážen na odvaly Popílky Drobná frakce pevných zbytků po spalování tuhých paliv, z ohniště, kotle nebo pece, tvoří 75 85 % z celkového odpadu spalování fosilních paliv Heterogenní materiál, má rozdílné fyzikální, mineralogické, morfologické a chemické vlastnosti, je zpravidla v jemně mletém stavu Velikost popílkových částic mezi 0,001 až 0,2 mm Vlastnosti popílků ovlivňuje zejména chemické složení uhlí, konstrukce topeniště a řízení postupu spalování 4
Laboratorní testování, analýzy Chemické složení analýza vstupních materiálů a to popílků a odpadních písků prováděna v laboratořích VŠB TUO Vodný výluh, sušina, analýza písků Zrnitostní analýza sítovou metodou především analýza ostřiva, tzn. odpadní písky, slévárenský (PIS BOH) a křemenný (PIS Č a PIS B) interní označení 5
Laboratorní testování, analýzy ZRNITOST ODPADNÍHO SLÉVÁRENSKÉHO PÍSKU PIS-BOH 6
Laboratorní testování, analýzy ZRNITOST ODPADNÍHO KŘEMENNÉHO PÍSKU PIS-B 7
Laboratorní testování, analýzy ZRNITOST ODPADNÍHO KŘEMENNÉHO PÍSKU PIS-Č 8
Laboratorní testování, analýzy RTG difrakční analýza - analýza byla prováděna v Laboratoři petrografické analýzy na VŠB-TUO Zkoušení při práškové difrakční analýze probíhá na počítačově řízeném difraktometru Bruker D8 Advance Kvalitativní analýza je prováděna pomocí programu EVA porovnáváním hodnot mezivrstevních vzdáleností a jejich intenzit s tabelovanými hodnotami pro čisté minerály, z databáze difrakčních dat pro minerály a anorganické fáze PDF-2. Semikvantitativní analýza je prováděna pomocí programu TOPAS. Kvantifikace pomocí tohoto programu je založena na modelování difrakčního spektra s použitím známých strukturních dat pro jednotlivé minerály a následným porovnáním s naměřeným difrakčním záznamem pomocí vícerozměrné regrese. 9
Laboratorní testování, analýzy RTG DIFRAKTOGRAM POUŽITÉHO POPÍLKU ROŠTOVÝ KOTEL 10
Laboratorní testování, analýzy RTG DIFRAKTOGRAM POUŽITÉHO POPÍLKU Z FLUIDNÍHO SPALOVÁNÍ 11
Návrh a testování směsí Požadavek na tvorbu receptur na bázi tekutých a polotekutých směsí Příprava směsi a tvorba receptur teplota +- 20 C, relativní vlhkost min. 50%,u vzorků byla stanovena vlhkost Dokonalá homogenizace jednotlivých komponent Kaly s menším množstvím komponent, poté zbylá množství a vodu v poměru voda/sušina 1,0 12
Návrh a testování směsí Po smíchání směsí naplnění do plastových forem, rozměr 100x100x100 mm Zarovnání povrchu, zhutňování pomocí vibračního stolku ILM LABOR, typ THYR 1 V průběhu zhutňování směs doplňována Po zhutnění uzavřena do igelitových obalů Doba zrání 1 týden, 14 dnů, 28 dnů 13
Návrh a testování směsí Zkušební tělesa připravená na měření pevnosti v prostém tlaku. 14
Návrh a testování směsí Pevností charakteristiky byly vyhodnocovány po daných dnech zrání na zařízení MTS 816 Rock Test Systém Maximální tlaková síla 1015 kn Maximální tahová síla 650 kn Tuhost lisu 26 108 N/m Vzorky zatěžovány konstantní silou 1250 N/s 15
Návrh a testování směsí Zkušební těleso po provedení měření pevnosti v prostém tlaku 16
Číslo vzorku Pojiva/ostřivo Podíly pojiv Podíly ostřiv Cement Vodní součinitel 13 PopR/PIS-BOH 60 40 5 1 14 PopR/PIS-BOH 40 60 5 1 15 PopF/PIS-BOH 60 40 5 1 16 PopF/PIS-BOH 40 60 5 1 17
[MPa] Pevnost v prostém tlaku 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 PEVNOST PO 7 DNECH PEVNOST PO 14 DNECH PEVNOST PO 28 DNECH 13 14 15 16 0,3 0,17 1,05 0,62 0,37 0,23 1,06 0,62 0,7007 0,3838 1,1937 0,7208 18
Číslo vzorku Pojiva/ostřivo Podíly pojiv Podíly ostřiv Cement Vodní součinitel 27 PopF/PIS-BOH 40 60 10 1 28 PopF/PIS-BOH 60 40 10 1 29 PopR/PIS-BOH 40 60 10 1 30 PopR/PIS-BOH 60 40 10 1 19
[Mpa] Pevnost v prostém tlaku 2,5 2 1,5 1 0,5 0 PEVNOST PO 7 DNECH PEVNOST PO 14 DNECH PEVNOST PO 28 DNECH 27 28 29 30 1,47 1,59 0,21 0,19 1,74 1,64 0,37 0,36 2,02 1,83 0,7 0,63 20
Výsledky, výběr vhodných vstupních materiálů Vyhovují z hlediska vyluhovatelnosti = nebudou negativně ovlivňovat životní prostředí Vzhledem k pojivovým vlastnostem použití popílku z fluidního spalování =větší pevnost v prostém tlaku Ale při přidání cementu je možné zvýšit pojivové vlastnosti Z hlediska ekonomického je nutné přihlédnout ke konkrétním účelům a dodavatelským podmínkám 21
Závěr Likvidace důlních prostor = vážné potencionální riziko Nekontrolovatelné výstupy metanu Sanace za pomocí materiálů z průmyslové činnosti = efektivní a levný způsob Ideální řešení = polotekuté a tekuté směsi na bázi pojiva z popílku a cementu a ostřiva z odpadních písků 22
Závěr Otázka výzkumu, zda chování materiálu zůstává v dlouhodobém horizontu při vystavení účinku metanu Je možné některé z těchto účinků nasimulovat v laboratorních podmínkách, např. vystavením důlních agresivních vod V podmínkách reálného užití a chování směsí ve větších objemech Stavba opěrného komínu, viz. obrázky 23
Závěr 24
Závěr 25
Závěr Tato konstrukce bude v nejbližších dnech zaplavena Výplňovou směsí připravenou na základě laboratorního zkoumání Poté v horizontu měsíců odběr vzorků metodou vrtání na jádro Následná analýza z hlediska pevnosti, struktury, pórozity, fázového složení apod. 26
Děkuji za pozornost Poděkování Článek byl vypracován v rámci projektu Institut čistých technologií těžby a užití energetických surovin, reg. č. CZ.1.05/2.1.00/03.0082 podporovaného Operačním programem Výzkum a vývoj pro Inovace, financovaného ze strukturálních fondů EU a ze státního rozpočtu ČR. 27